JPH11508373A

JPH11508373A - Headgear display system

Info

Publication number: JPH11508373A
Application number: JP9503905A
Authority: JP
Inventors: フェリン，フランク・ジェイ; ドロースラー，ジャスティン・ジー
Original assignee: ハネウエル・インコーポレーテッド
Priority date: 1995-06-22
Filing date: 1996-06-19
Publication date: 1999-07-21
Also published as: IL122309A0; EP0834097A2; DE69614387D1; WO1997001123A3; DE69614387T2; EP0834097B1; US5576887A; IL122309A; WO1997001123A2

Abstract

(57)【要約】ヘッドギア・ディスプレイ・システムは、一対のレンズおよび光結合器を利用して視覚画像を観測者の目に視準する、簡単な軸外れの光投影系を組み込む。 (57) Abstract: Headgear display systems incorporate a simple off-axis light projection system that utilizes a pair of lenses and an optical coupler to collimate the visual image to the observer's eye.

Description

【発明の詳細な説明】ヘッドギア・ディスプレイシステム発明の背景発明の分野本発明は、一般に、このヘッドギア・ディスプレイ・システムの使用者に、その人の視野から見た外部シーンと同時に視覚情報を提供するヘッドギア・ディスプレイ・システムに関する。関連技術の説明コンピュータまたはその他のソースが生成した視覚情報および／または画像を、直接見える外部シーンとともに、またはそれに重ねて、あるいはその両方で、同時に見ることの可能な、「ヘルメット・ディスプレイ・システム」、「頭部装着ディスプレイ」、「ヘッドアップ・ディスプレイ」などと呼ばれることがあるヘッドギア・ディスプレイは周知である。このようなヘッドギア・ディスプレイ・システムは、訓練、機械制御、娯楽など多くの領域で有用である。このようなシステムは、乗物の操縦者および武器の制御者に情報を与えなければならない軍事分野で特に有用である。航空機のパイロットは、航空機の操縦、気象レーダの提示、地図、武器の照準、および彼らの飛行任務で有効または望まれる情報に関係したその他の情報を与えるのにこのようなシステムが便利であることを認めている。いくつかのシステムでは、視覚情報または視覚画像を、ヘルメット・バイザであることもあるヘッドギアに装着した光結合器上に、使用者の目すなわち観測者の視線を考慮して重ねる。これらの視覚画像は、陰極線管、光ファイバ・ディスプレイ、フラット・スクリーン液晶、またはエレクトロルミナンス装置を含む様々なディスプレイ・ソースから得ることができるが、そのいくつかは画像強調装置、および適当な光学リレー・システムで動作する写真プロジェクタを含み、それらは全て観測者に視覚情報を与えることができる。画像を表示するヘルメット装着式システムは、ＣＲＴディスプレイから複数の反射鏡を含む光学系によって導かれ、最終的に観測者の視野中で通常の視線よりわずかに上に画像を置くヘルメット装着式ディスプレイを教示する、Ｓｔａｎｔｏｎに発行された米国特許第３０５９５１９号で周知である。Ｖｉｚｅｎｏｒに発行された米国特許第３７８７１０９号は、一対の放物面バイザをヘルメットが備えるディスプレイを開示する。バイザは、光を通す光結合器または鏡として機能し、ディスプレイ・ソースの画像をバイザから観測者の目に反射させるために一部に主光学素子として機能する反射する被覆を内側表面に有している。Ｔａｓｋ他に発行された米国特許第４４６５３４７号は、バイザの内側表面上に画像を投影する望遠鏡的光学系から画像を得るシステムを開示する。視覚画像はヘルメットの平面鏡に反射され、もう一度バイザに反射され、そこで視覚者の目に向けられ、外部シーンの一部となって現れる。大幅に複雑になったヘルメット・ディスプレイが、Ｂｏｓｓｅｒｍａｎに発行された米国特許第４３６１３８４号に開示されている。開示されるのは、薄膜フラット・パネル・ディスプレイおよびウェハ・ダイオード映像増倍管を組み合わせた装置である。複数の半透明光学系により、画像はフラット・パネル・ディスプレイから観測者の目に向けられる。映像増倍装置もまた、同じ光学系を使用して視覚画像を目に向け、そこでそれをバイザを介して観測した外部シーンから受ける画像の上に重ねることができる。したがって、観測者は、バイザおよびフラット・パネル・ディスプレイの画像の両方を通して外部を見る。反射させるために、バイザをホログラフィ状、円環面状、非球面状、または球面状にすることができる。Ｂｏｓｓｅｒｍａｎ他に発行された米国特許第４０２６６４１号は、円環面凸状物体面を有し、光伝達装置として機能して補助ディスプレイから円環面凸状物体面に視覚情報を伝達する光ファイバ束を含む、ヘッドギア・ディスプレイ・システムを開示する。視覚画像は、ヘッドギア・ディスプレイ・システムの使用者の目に視覚画像を向けるように機能する円環面状光結合器に向けられる。多くの場合、従来技術のヘッドギア・ディスプレイ・システムでは一般に、光結合器として機能してヘッドギア・バイザに視覚画像を投影する投影系のためにその内部で利用する光学素子を含む、軸上の光学系（すなわち中央の光軸の周りで対称的に配列され、時には折り重ねられる系）を利用する。しかし、米国特許第４９６８１１７号は、プリズムおよび一連の光学素子を含み、その光軸がプリズム面からの射出画像に対して軸外れになっている複雑な投影系を備えた非球面状結合器の利用を開示する。開示される光学系は、光学リレー系、およびその後に続く視覚画像をヘッドギア・ディスプレイ・システムの使用者の目に向けて視準する体系を例示している。現在利用可能な従来のヘッドギア・ディスプレイ・システムそれぞれの問題は、そのサイズおよび容積である。これは主に、意図した機能を達成するために選択した光学系によるものである。従来技術のシステムに関する第２の問題は、より大きいアイレリーフを形成できないことである。発明の概要本発明の目的は、従来技術のシステムより大きいアイレリーフをもたらすヘッドギア・ディスプレイ・システムを提供することである。本発明の目的は、ディスプレイ・ソースの電力要件を低くし、ヘッドギア・ディスプレイ・システムの総重量を軽くするような光効率を有するヘッドギア・ディスプレイ・システムを提供することである。本発明によれば、視覚情報と外部シーンを観測者の視野中で同時に重ねるヘッドギア・ディスプレイ・システムが提供される。このヘッドギア・ディスプレイ・システムは、観測者の頭部に装着するように適合されたヘッドギアに取り付けるためのものである。このヘッドギア・ディスプレイ・システムは、視覚画像を生成して視覚情報を表示するディスプレイ・ソースを含む。本発明によるディスプレイ・システムはさらに、一対のレンズ、および視覚画像をヘッドギア・ディスプレイ・システムの使用者の目に向けて視準するように構成された光結合器を含む。図面の簡単な説明第１図は、ディスプレイ・ソース、光投影系、および使用者の目の位置の相対位置を示す、従来技術のヘッドギア・ディスプレイ・システムを示す図である。第２図は、本発明によるヘッドギア・ディスプレイ・システムを示す図である。第３図は、本発明によるヘッドギア・ディスプレイ・システムで利用される光学構成要素の関係を示すダイアグラムである。第４図は、第２図および第３図に示す光学構成要素を利用することによって生じる、ソースから目までの視覚画像の光線を示すダイアグラムである。第５図は、本発明のヘッドギア・ディスプレイ・システムから生じる視覚画像を観測したものを示す概略図である。第６図は、従来技術の軸上のヘッドギア・ディスプレイ・システムから生じる視覚画像を観測したものを示す概略図である。好ましい実施形態の説明第１図は、当技術分野では周知であり、Ｒａｌｌｉｓｏｎに発行された米国特許第５３０３０８５号に記載のそれと完全に同様ではないが類似している、軸上の光学構成を示す図である。このヘッドギア・ディスプレイ・システムは、一般にディスプレイ・ソース１１０と、光を通す結合器として、また外部シーンを見るためのヘルメット・バイザとしても機能することができる光結合器手段１４０上に視覚情報を投影するように機能するレンズ１２０およびビーム・スプリッタ１３０を含む光投影系とを含む。従来のヘッドギア・ディスプレイ・システムの前記構成要素は、一般にヘッドギア（図示せず）に装着される。第１図に示すように従来技術の全ての光学構成要素は、軸上の光学素子である。すなわち、図示のように折り重なる光学構成要素の中央軸または光学軸の周りで対称的に配列される。第１図に示すヘッドギア・ディスプレイ・システムは、以下のように動作する。例えば、小型フラット・パネル・ディスプレイ・ソースであるディスプレイ・ソース１１０は、像平面１１４に垂直な中央画像参照軸１１６を有する像平面１１４を規定する像面１１２を含む。像平面１１４から発出する視覚画像からの光線は、最初に通常は視野フラットナ（field flattner）として利用するレンズ１２０を通過する。光線は、次に部分反射ビーム・スプリッタ１３０に伝搬し、そこで光結合器１４０の部分反射表面１４２に向けて反射される。これらの光線は、次に部分反射表面１４２で反射されてビーム・スプリッタ１３０に戻り、これを通過して観測者すなわちヘッドギア・ディスプレイ・システムの使用者の目１５０に向かう。第１図に示すヘッドギア・ディスプレイ・システムを適切に機能させるために、この軸上の機械装置で利用するビーム・スプリッタ１３０と結合器１４０の光学被覆は、考えられる２つの方式の一方に従って構成される可能性が高い。第１に、１つの手法は、ビーム・スプリッタ１３０および結合器１４０の両方に対して、５０％反射（したがって５０％透過）のニュートラル被覆を使用するものである。もう１つの手法は、あるスペクトル・バンド（モノクロ・ディスプレイの場合にはディスプレイ・ソースのスペクトル出力に集中させ、カラー・ディスプレイの場合には複数のスペクトル・バンドにする）内で反射係数の高い狭スペクトル・バンド被覆を使用するものである。どちらの場合でも、光透過効率の損失は、光線がビーム・スプリッタおよび結合器表面のそれぞれで繰り返しはね返されるために生じる。例えば、ニュートラル被覆を使用する場合、３つすなわちビーム・スプリッタ−結合器−ビーム・スプリッタの反射表面による光透過率は、レンズ１２０による損失が小さいものと想定すると、概算で以下のようになる。０．５×０．５×０．５＝０．１２５狭スペクトル・フィルタ被覆を使用する場合は、透過率の損失はこれほど大きくはならないが依然として相当量であり、観測者が見る外部シーンの色変化が不快になることがある。しかし、これもまた全光経路中に３回の反射を含む（ビーム・スプリッタからの反射が２回、光を通す結合器からの反射が１回である）。第２図は、本発明による軸外れの光学構成を利用するヘッドギア・ディスプレイ・システムを示す図である。第１図と同様、この図には、像平面１１４および中央画像参照軸１１６を決める像面１１２を備えているディスプレイ・ソース１１０を示す。光投影系は、それを通して観測者が外部シーンを見ると同時にディスプレイ・ソースが提供する投影された視覚画像を見ることができる光を通すまたは部分反射の光結合器２５０上に視覚画像を投影する球面レンズ２２０および２４０により形成される。光結合器２５０は、一般に５０％反射の観測者側表面２５２、および面２５２の反対側の一般に抗反射被覆を有する外部シーン側表面２５４を含む。本発明の好ましい実施形態の投影系では、第２図に示すレンズ２２０および２４０の偏心部分のみを利用する。このことを、コア・レンズ２２０および２４０をそれぞれ切り出すことになる完全な対称形球面レンズ３２０および３４０の側面図を示す第３図の図に詳細に図示する。第３図に、本発明により利用する光学構成要素の光学的関係をさらに示す。次に第３図を参照すると、この場合もやはりディスプレイ・ソースの像平面１１４および中央画像参照軸１１６が示されている。球面レンズ３２０の中央レンズ軸３２２は、球面レンズ３４０の中央レンズ軸３４２と位置合わせされる。レンズ３２０および３４０は、それらそれぞれの中央レンズ軸がともに、中央画像参照軸１１６に対して偏心化され、角度αだけ傾くように向きを調節される。さらに、光結合器２５０の中央軸２５６は、レンズ３２０および３４０の中央レンズ軸に関して偏心化され、角度βだけ傾けられる。第４図は、像平面１１４からコア切り出しレンズ２２０および２４０を通って次々に投影され、光結合器２５０の観測者側表面２５２で反射され、観測者の目１５０に向かう光線を示す図である。図示するように、本発明による一対のレンズおよび光結合器からなる簡単な光学系は、観測者の目に虚像を生じさせる視準用光学系を提供する。本発明の好ましい実施形態では、結合器２５０は非球面型のトロイドに、レンズ２２０および２４０は球面型に構成することが好ましい。当業者には周知のように、これらの光学構成要素の曲率半径、厚さ、非球面および球面の係数、選択した光学材料、ならびにそれらの間の相対的な間隔は、虚像が意図通りに観測者の目に視準されるように選択および配列されなければならない。したがって、第３図に示す光学構成要素の寸法および向きは単なる例示であり、当業者には周知のようにその他の組合せが可能である。図面に示した簡単な光学系は当技術分野の技術水準の範囲内で変化させることができ、その全てが本発明の趣旨および範囲内にあるように意図されていることが、当業者なら理解できるはずである。さらに具体的には、本発明の趣旨および範囲を逸脱することなく、レンズ３２０および３４０それぞれからのレンズ２２０および２４０の中心部切り出しは、球面状にすることも非球面状にすることもでき、同様に、円環面上の光結合器２５０もまた球面状にすることも非球面状にすることもできる。当業者には理解されるように、第２図に示した構成では、使用者の目と外部シーンの間にただ１つの反射表面しか含まない（外部シーンは光を通す結合器２５０を介して見る）。したがって、本発明では、ディスプレイ・ソースの視覚画像の光出力は、光を通す結合器２５０が達成する光結合器２５０のビーム・スプリッタ機能によって５０％しか減少しない。従来技術と比較して、本発明を利用することにより光の効率は４倍にも改善される。これは、ディスプレイ・ソース１１０が必要とする電力を、軸上の光学機械装置を使用する従来技術で使用するそれよりも７５％減少させることができることを意味する。電力消失が減少すると、ヒート・シンク構造が必要とする重量が減少し、その両方がバッテリ動作式携帯用システムでは特に重要であるので、このことはヘッドギア・ディスプレイ・システムでは最も重要である。本発明の第２の利点は、それが第１図に示す従来技術と比較して付加的なアイレリーフを与えることができる点である。アイレリーフはユーザの目とヘッドギア・ディスプレイ・システムの最も近い光学素子との間の距離であると定義されるので、そのようになる。このことは、眼鏡をかけた人が実用的なアイレリーフを有することになる点で特に重要である。第１図の従来技術と第２図の技術とを比較して、従来技術よりも本発明のアイレリーフの方が大きくなるのは、従来技術の光学機械装置では目と光を通す結合器の間にビーム・スプリッタを必要とするためである。それに対して本発明では、光結合器は遮られることなく観測者の視野にあるので、アイレリーフが増加する。本発明による軸外れの光学機械装置を利用することにより、一般に、第６図に示す従来技術の軸上の機械装置の光学歪曲と比較して第５図に詳細に示すような光学的に歪曲した画像が生じることがある。しかし、本発明による光学機械装置を利用することにより生じる軸外れによる歪曲は、少なくとも２つの技法によって補正することができる。第１に、この歪曲は、第５図に示すものと同様の予見した歪曲パターンに従って画像または記号の位置を計算することにより、ディスプレイ駆動電子回路中で電子工学的に補正することができる（すなわち軸外れの機械装置の歪曲が小さくなるように、画像をあらかじめ歪曲させておく）。従って、ディスプレイ・ソースが生成したあらかじめ歪曲させた画像が図示のように光学素子によって投影された時、観測者は所望の歪曲のない画像および／または記号を見ることができる。歪曲補正の第２の方式は、ディスプレイ手段の像平面を物理的に改変し、視覚画像が軸外れの光学素子を介して投影された後で、観測者が一般に通常の歪曲のない視覚画像を見るようにすることである。既に指摘したように、レンズ２２０および２４０の細部は、光を通す光結合器２５０として利用する非球面トロイド２５０の曲率半径と同様に、実質上それらの空間における関係、特に光を通す結合器２５０、すなわち特定のヘッドギアまたはヘルメットに取り付けた時の観測者の目１５０と結合器２５０の間の距離によって決まる。光学レンズ２２０および２４０の曲率半径は、構成の影響を等しく受けるので、本明細書ではその細部については説明しないが、当技術分野では十分に理解されている。ただし、光を通す光結合器２５０の曲率半径は、観測者が見たときにディスプレイが無限遠に位置するように見えるように選択されることに留意されたい。Description: BACKGROUND OF THE INVENTION Field of the Invention Field of the Invention The present invention generally provides a user of this headgear display system with visual information at the same time as an external scene viewed from that person's perspective. It relates to a headgear display system. 2. Description of the Related Art A "helmet display system" that allows the visual information and / or images generated by a computer or other source to be viewed simultaneously with and / or over externally visible external scenes. Headgear displays, sometimes referred to as "head-mounted displays,""head-updisplays," and the like, are well known. Such headgear display systems are useful in many areas, such as training, machine control, and entertainment. Such a system is particularly useful in the military field where information must be provided to vehicle operators and weapon controllers. Aircraft pilots will find such systems useful for providing aircraft control, weather radar presentation, maps, weapon sighting, and other information relevant to the information available or desired in their flight mission. Admits. In some systems, visual information or images are superimposed on an optocoupler mounted on headgear, which may be a helmet visor, taking into account the user's eyes or the line of sight of the observer. These visual images can be obtained from a variety of display sources, including cathode ray tubes, fiber optic displays, flat screen liquid crystals, or electroluminescent devices, some of which are image intensifiers and appropriate optical relays. -Includes photographic projectors operating in the system, all of which can provide visual information to the observer. Helmet-mounted systems that display images are guided by optics that include a plurality of reflectors from a CRT display and ultimately provide a helmet-mounted display that places the image slightly above normal gaze in the observer's field of view. Teaching is well known in US Pat. No. 3,059,519 issued to Stanton. U.S. Pat. No. 3,787,109 issued to Vizenor discloses a display in which a helmet includes a pair of parabolic visors. The visor has a reflective coating on the inner surface that functions as an optical coupler or mirror that transmits light and that partially functions as the main optical element to reflect the image of the display source from the visor to the observer's eye. ing. U.S. Pat. No. 4,465,347 issued to Task et al. Discloses a system for obtaining an image from telescopic optics that projects the image on the inner surface of a visor. The visual image is reflected off the plane mirror of the helmet and again on the visor, where it is directed to the viewer's eyes and appears as part of the external scene. A significantly more complex helmet display is disclosed in U.S. Pat. No. 4,361,384 issued to Bosserman. Disclosed is an apparatus that combines a thin film flat panel display and a wafer diode image intensifier. Multiple translucent optics direct the image from the flat panel display to the observer's eyes. Image intensifiers can also use the same optics to direct a visual image to the eye, where it can be superimposed over an image received from an external scene viewed through a visor. Thus, the observer sees outside through both the visor and the image on the flat panel display. For reflection, the visor can be holographic, toric, aspheric, or spherical. U.S. Pat. No. 4,026,641, issued to Bosserman et al., Discloses a fiber optic bundle having an annular convex object surface and functioning as a light transmitting device to transmit visual information from an auxiliary display to the annular convex object surface. A headgear display system is disclosed, comprising: The visual image is directed to a toric optical coupler that functions to direct the visual image to the eyes of the user of the headgear display system. In many cases, prior art headgear display systems generally include on-axis optics that include optical elements that function as optical couplers and are utilized therein for a projection system that projects a visual image onto the headgear visor. A system (ie, a system that is arranged symmetrically around the central optical axis and sometimes folded) is used. However, U.S. Pat. No. 4,968,117 discloses an aspheric coupler with a complex projection system that includes a prism and a series of optical elements, the optical axis of which is off-axis with respect to the image projected from the prism surface. Disclose usage. The disclosed optical system illustrates an optical relay system and a system for collimating the subsequent visual image towards the eyes of a user of a headgear display system. A problem with each of the currently available conventional headgear display systems is their size and volume. This is mainly due to the optics chosen to achieve the intended function. A second problem with prior art systems is that larger eye reliefs cannot be formed. SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a headgear display system that provides an eye relief greater than prior art systems. It is an object of the present invention to provide a headgear display system having light efficiency such that the power requirements of the display source are reduced and the total weight of the headgear display system is reduced. According to the present invention, there is provided a headgear display system in which visual information and an external scene are simultaneously superimposed in an observer's field of view. The headgear display system is for mounting on headgear adapted to be worn on the observer's head. The headgear display system includes a display source that generates a visual image and displays visual information. The display system according to the present invention further includes a pair of lenses and an optical coupler configured to collimate the visual image towards the eyes of a user of the headgear display system. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 shows a prior art headgear display system showing the relative positions of the display source, the light projection system, and the position of the user's eyes. FIG. 2 is a diagram showing a headgear display system according to the present invention. FIG. 3 is a diagram showing the relationship of the optical components used in the headgear display system according to the present invention. FIG. 4 is a diagram showing the rays of a visual image from the source to the eye resulting from utilizing the optical components shown in FIGS. 2 and 3. FIG. 5 is a schematic diagram showing an observation of a visual image generated from the headgear display system of the present invention. FIG. 6 is a schematic diagram showing an observation of a visual image resulting from a prior art on-axis headgear display system. DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENT FIG. 1 shows an on-axis optical configuration that is well known in the art and is similar, but not entirely, to that described in US Pat. No. 5,303,085 issued to Rallison. FIG. This headgear display system generally projects visual information onto a display source 110 and a light combiner means 140 that can also function as a light passing combiner and as a helmet visor for viewing external scenes. An optical projection system including a lens 120 and a beam splitter 130 that function to operate. The components of a conventional headgear display system are typically mounted on headgear (not shown). As shown in FIG. 1, all optical components of the prior art are on-axis optical elements. That is, they are symmetrically arranged about the central or optical axis of the foldable optical components as shown. The headgear display system shown in FIG. 1 operates as follows. For example, a display source 110, which is a small flat panel display source, includes an image plane 112 that defines an image plane 114 having a central image reference axis 116 perpendicular to the image plane 114. Light rays from the visual image emanating from the image plane 114 first pass through a lens 120, which typically serves as a field flattner. The light beam then propagates to partially reflected beam splitter 130 where it is reflected toward partially reflected surface 142 of optical coupler 140. These rays are then reflected from partially reflective surface 142 and return to beam splitter 130, through which they travel to the eyes 150 of the observer or headgear display system user. In order for the headgear display system shown in FIG. 1 to function properly, the optical coating of the beam splitter 130 and the combiner 140 utilized in this on-axis machine is constructed according to one of two possible schemes. Is likely to be First, one approach is to use a 50% reflective (and therefore 50% transmission) neutral coating for both the beam splitter 130 and the combiner 140. Another approach is to use a narrow band with a high reflection coefficient within a spectral band (for monochrome displays, to concentrate on the spectral output of the display source, and for color displays, multiple spectral bands). It uses spectral band coverage. In either case, the loss in light transmission efficiency results from the light beam being repeatedly bounced off each of the beam splitter and combiner surfaces. For example, if a neutral coating is used, the light transmission by the three reflective surfaces of the beam splitter-combiner-beam splitter, assuming that the loss due to lens 120 is small, is approximately: 0.5 × 0.5 × 0.5 = 0.125 When using a narrow spectral filter coating, the transmission loss is not as great but still substantial, and the observer sees the external scene Color change may be unpleasant. However, it also includes three reflections in the entire optical path (two reflections from the beam splitter and one reflection from the combiner that passes the light). FIG. 2 illustrates a headgear display system utilizing an off-axis optical configuration according to the present invention. Similar to FIG. 1, this figure shows a display source 110 having an image plane 112 defining an image plane 114 and a central image reference axis 116. The light projection system projects the visual image onto a transparent or partially reflective optical coupler 250 through which an observer can view the external scene while simultaneously viewing the projected visual image provided by the display source. It is formed by spherical lenses 220 and 240. Optocoupler 250 includes an observer side surface 252 that is typically 50% reflective, and an external scene side surface 254 having a generally anti-reflective coating opposite surface 252. The projection system of the preferred embodiment of the present invention utilizes only the decentered portions of lenses 220 and 240 shown in FIG. This is illustrated in greater detail in FIG. 3, which shows a side view of the perfect symmetric spherical lenses 320 and 340, which will cut out the core lenses 220 and 240, respectively. FIG. 3 further illustrates the optical relationships of the optical components utilized in accordance with the present invention. Referring now to FIG. 3, again the display source image plane 114 and the center image reference axis 116 are shown. The central lens axis 322 of the spherical lens 320 is aligned with the central lens axis 342 of the spherical lens 340. The lenses 320 and 340 are adjusted so that their respective central lens axes are both eccentric with respect to the central image reference axis 116 and tilted by an angle α. Further, the central axis 256 of the optical coupler 250 is decentered with respect to the central lens axes of the lenses 320 and 340 and is tilted by an angle β. FIG. 4 is a diagram showing light rays projected one after another from the image plane 114 through the core cutting lenses 220 and 240, reflected on the observer-side surface 252 of the optical coupler 250, and traveling toward the observer's eye 150. . As shown, a simple optical system comprising a pair of lenses and an optical coupler according to the present invention provides a collimating optical system that produces a virtual image in the eyes of an observer. In a preferred embodiment of the present invention, the coupler 250 is preferably configured as an aspheric toroid and the lenses 220 and 240 are configured as spherical. As is well known to those skilled in the art, the radius of curvature, thickness, aspheric and spherical coefficients of these optical components, the selected optical materials, and the relative spacing between them can be measured by virtual images as intended. Must be selected and arranged to be collimated in the eyes of one. Accordingly, the dimensions and orientations of the optical components shown in FIG. 3 are merely exemplary, and other combinations are possible, as is well known to those skilled in the art. Those skilled in the art will appreciate that the simple optics illustrated in the drawings can be varied within the skill of the art, all of which are intended to be within the spirit and scope of the present invention. It should be possible. More specifically, the central cutouts of lenses 220 and 240 from lenses 320 and 340, respectively, can be spherical or aspherical without departing from the spirit and scope of the present invention. Similarly, the optical coupler 250 on the toric surface can also be spherical or aspheric. As will be appreciated by those skilled in the art, the arrangement shown in FIG. 2 includes only one reflective surface between the user's eyes and the external scene (the external scene is connected via a light-transmitting coupler 250). Watch). Thus, in the present invention, the light output of the visual image of the display source is reduced by only 50% due to the beam splitter function of the light combiner 250 achieved by the light passing combiner 250. Compared with the prior art, the efficiency of light is improved by a factor of four by using the present invention. This means that the power required by the display source 110 can be reduced by 75% over that used in the prior art using on-axis optomechanical devices. This is most important in headgear display systems, as reduced power dissipation reduces the weight required by the heat sink structure, both of which are particularly important in battery operated portable systems. A second advantage of the present invention is that it can provide additional eye relief compared to the prior art shown in FIG. Eye relief is so defined because it is defined as the distance between the user's eyes and the closest optical element of the headgear display system. This is particularly important in that the person wearing the glasses will have a practical eye relief. Compared with the prior art of FIG. 1 and the technique of FIG. 2, the reason that the eye relief of the present invention is larger than that of the prior art is that in the prior art optomechanical device, the coupler of the eye and the light passing therethrough. This is because a beam splitter is required between them. On the other hand, in the present invention, since the optical coupler is in the field of view of the observer without being blocked, the eye relief is increased. Utilizing an off-axis optomechanical device according to the present invention generally results in optical distortion as shown in detail in FIG. 5 as compared to the optical distortion of the prior art on-axis mechanical device shown in FIG. Images may occur. However, off-axis distortion caused by utilizing the optomechanical device according to the present invention can be corrected by at least two techniques. First, this distortion can be corrected electronically in the display drive electronics by calculating the position of the image or symbol according to a predicted distortion pattern similar to that shown in FIG. The image is pre-distorted so that the off-axis mechanical device has less distortion). Thus, when the pre-distorted image generated by the display source is projected by the optics as shown, the observer can see the desired undistorted image and / or symbols. A second method of distortion correction physically modifies the image plane of the display means so that after the visual image is projected via off-axis optics, the observer generally produces a normal, undistorted visual image. It is to see. As already pointed out, the details of the lenses 220 and 240 are substantially similar in their spatial relationship, in particular the light transmitting coupler 250, as are the radii of curvature of the aspheric toroids 250 used as light transmitting optical couplers 250. I.e., the distance between the observer's eye 150 and the coupler 250 when attached to a particular headgear or helmet. Since the radii of curvature of the optical lenses 220 and 240 are equally affected by the configuration, their details will not be described herein, but are well understood in the art. It should be noted, however, that the radius of curvature of the light combiner 250 that allows light to pass through is selected so that when viewed by an observer, the display appears to be located at infinity.

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項【提出日】１９９７年７月１８日【補正内容】補正明細書ＡＴａｓｋ他に発行された米国特許第４４６５３４７号は、バイザの内側表面上に画像を投影する望遠鏡的光学系から画像を得るシステムを開示する。視覚画像はヘルメットの平面鏡に反射され、もう一度バイザに反射され、そこで視覚者の目に向けられ、外部シーンの一部となって現れる。大幅に複雑になったヘルメット・ディスプレイが、Ｂｏｓｓｅｒｍａｎに発行された米国特許第４３６１３８４号に開示されている。開示されるのは、薄膜フラット・パネル・ディスプレイおよびウェハ・ダイオード映像増倍管を組み合わせた装置である。複数の半透明光学系により、画像はフラット・パネル・ディスプレイから観測者の目に向けられる。映像増倍装置もまた、同じ光学系を使用して視覚画像を目に向け、そこでそれをバイザを介して観測した外部シーンから受ける画像の上に重ねることができる。したがって、観測者は、バイザおよびフラット・パネル・ディスプレイの画像の両方を通して外部を見る。反射させるために、バイザをホログラフィ状、円環面状、非球面状、または球面状にすることがてきる。Ｂｏｓｓｅｒｍａｎ他に発行された米国特許第４０２６６４１号は、円環面凸状物体面を有し、光伝達装置として機能して補助ディスプレイから円環面凸状物体面に視覚情報を伝達する光ファイバ束を含む、ヘッドギア・ディスプレイ・システムを開示する。視覚画像は、ヘッドギア・ディスプレイ・システムの使用者の目に視覚画像を向けるように機能する円環面状光結合器に向けられる。Ｔｏｇｉｎｏに発行された米国特許第５４３６７６５号には、４０度またはそれを超える画角での観測を可能にし、その周辺部までは平らかつ鮮明な画像を提供する頭部装着式ディスプレイ装置が開示されている。Ｃｈｅｎ他に発行されたＷＯ特許第９５１００６２号には、独立して偏心化され、ある角度傾いて収差を減少させるために利用できる自由度を増加させ、ディスプレイ視野をかなり増加させる前部および後部レンズを有するヘッドギア・ディスプレイ・システムが開示されている。多くの場合、従来技術のヘッドギア・ディスプレイ・システムでは一般に、光結合器として機能してヘッドギア・バイザに視覚画像を投影する投影系のためにその内部で利用する光学素子を含む、軸上の光学系（すなわち中央の光軸の周りて対称的に配列され、時には折り重ねられる系）を利用する。しかし、米国特許第４９６８１１７号は、プリズムおよび一連の光学素子を含み、その光軸がプリズム面からの射出画像に対して軸外れになっている複雑な投影系を備えた非球面状結合器の利用を開示する。補正明細書Ｂ電力消失が減少すると、ヒート・シンク構造が必要とする重量が減少し、その両方がバッテリ動作式携帯用システムでは特に重要であるので、このことはヘッドギア・ディスプレイ・システムでは最も重要である。本発明の第２の利点は、それが第１図に示す従来技術と比較して付加的なアイレリーフを与えることができる点である。アイレリーフはユーザの目とヘッドギア・ディスプレイ・システムの最も近い光学素子との間の距離であると定義されるので、そのようになる。このことは、眼鏡をかけた人が実用的なアイレリーフを有することになる点で特に重要である。第１図の従来技術と第２図の技術とを比較して、従来技術よりも本発明のアイレリーフの方が大きくなるのは、従来技術の光学機械装置では目と光を通す結合器の間にビーム・スプリッタを必要とするためである。それに対して本発明では、光結合器は遮られることなく観測者の視野にあるので、アイレリーフが増加する。本発明による軸外れの光学機械装置を利用することにより、一般に、第６図に示す従来技術の軸上の機械装置の光学歪曲と比較して第５図に詳細に示すような光学的に歪曲した画像が生じることがある。しかし、本発明による光学機械装置を利用することにより生じる軸外れによる歪曲は、少なくとも２つの技法によって補正することができる。第１に、この歪曲は、第５図に示すものと同様の予見した歪曲パターンに従って画像または記号の位置を計算することにより、ディスプレイ駆動電子回路中で電子工学的に補正することができる（すなわち軸外れの機械装置の歪曲が小さくなるように、画像をあらかじめ歪曲させておく）。従って、ディスプレイ・ソースが生成したあらかじめ歪曲させた画像が図示のように光学素子によって投影された時、観測者は所望の歪曲のない画像および／または記号を見ることができる。歪曲補正の第２の方式は、ディスプレイ手段の像平面を物理的に改変し、視覚画像が軸外れの光学素子を介して投影された後で、観測者が一般に通常の歪曲のない視覚画像を見るようにすることである。既に指摘したように、レンズ２２０および２４０の細部は、光を通す光結合器２５０として利用する非球面トロイド２５０の曲率半径と同様に、実質上それらの空間における関係、特に光を通す結合器２５０、すなわち特定のヘッドギアまたはヘルメットに取り付けた時の観測者の目１５０と結合器２５０の間の距離によって決まる。光学レンズ２２０および２４０の曲率半径は、構成の影響を等しく受けるので、本明細書ではその細部については説明しないが、当技術分野では十分に理解されている。ただし、光を通す光結合器２５０の曲率半径は、観測者が見たときにディスプレイが無限遠に位置するように見えるように選択されることに留意されたい。補正請求の範囲１．このヘッドギア・ディスプレイ・システムの使用者の目に向かって視覚情報を投影する、ヘッドギアに装着するように意図したヘッドギア・ディスプレイ・システムであって、ヘッドギア・ディスプレイ・システムの使用者の目と外部シーンの間に空間的に位置し、それに関連する中央光軸（２５６）を有する（非球面）円環面型反射表面（２５０）と、視覚画像を生成して視覚情報をディスプレイ表面（１１２）に与え、そのディスプレイ表面（１１２）と関連する位置が像平面（１１４）とその像平面（１１４）と垂直な中央画像参照軸（１１６）である、ディスプレイ・ソース手段（１１０）と、前記視覚画像がその第１および第２レンズ（３２０、３４０）を次々に通過し、前記円環面型反射表面（２５０）に入射するように空間的に位置決めされ、それらに関連した中央軸（３２２、３４２）をそれぞれに有し、前記第１レンズ（３２０）の前記中央軸（３２２）が前記第２レンズ（３４０）の前記中央レンズ軸（３４２）と位置合わせされ、前記第１および第２レンズ（３２０、３４０）の前記中央軸（３２２、３４２）が前記中央画像参照軸（１１６）に対して傾き、偏心化されている、第１および第２レンズ（３２０、３４０）とを含み、前記円環面型反射表面（２５０）が、それに関連する前記中央軸（２５６）が前記第１および第２レンズ（３２０、３４０）の前記中央軸（３２２、３４２）に対して傾き、偏心化されるように向きを調節され、また、前記円環面型反射表面（２５０）が、少なくとも部分的に、前記の入射する視覚画像をそこで反射し、前記ヘッドギア・ディスプレイ・システムの使用者の目に向けるように構成され、一部を反射し、一部を透過する、ヘッドギア・ディスプレイ・システム。２．前記第１および第２レンズが球面レンズであることを特徴とする請求項１に記載のヘッドギア・ディスプレイ・システム。３．前記ディスプレイ・ソース手段（１１０）がフラット・パネル・ディスプレイ（１１０）であることを特徴とする請求項１に記載のヘッドギア・ディスプレイ・システム。４．前記フラット・パネル・ディスプレイ（１１０）が意図的に歪曲された視覚画像を与え、その視覚画像が前記第１および第２レンズ（３２０、３４０）を通過し、前記円環面型反射表面（２５０）で反射されることにより生じる、使用者の目が観測したときの任意の光画像の歪曲を減少させることを特徴とする請求項３に記載のヘッドギア・ディスプレイ・システム。５．前記円環面型反射表面（２５０）により、使用者の目が前記視覚画像および前記外部シーンを同時に見ることができることを特徴とする請求項１に記載のヘッドギア・ディスプレイ・システム。６．前記円環面型反射表面（２５０）が、遮られることなく使用者の目の視野に位置することを特徴とする請求項１に記載のヘッドギア・ディスプレイ・システム。７．前記第１および第２レンズ（３２０、３４０）が、前記円環面型反射表面（２５０）と協働して前記視覚画像を前記の使用者の目に向けて視準することを特徴とする請求項１に記載のヘッドギア・ディスプレイ・システム。[Procedural Amendment] Patent Act Article 184-8, Paragraph 1 [Date of Submission] July 18, 1997 [Amendment] Amendment Description A US Patent No. 4,465,347 issued to Task et al. Disclosed is a system for obtaining an image from a telescopic optic projecting the image thereon. The visual image is reflected off the plane mirror of the helmet and again on the visor, where it is directed to the viewer's eyes and appears as part of the external scene. A significantly more complex helmet display is disclosed in U.S. Pat. No. 4,361,384 issued to Bosserman. Disclosed is an apparatus that combines a thin film flat panel display and a wafer diode image intensifier. Multiple translucent optics direct the image from the flat panel display to the observer's eyes. Image intensifiers can also use the same optics to direct a visual image to the eye, where it can be superimposed over an image received from an external scene viewed through a visor. Thus, the observer sees outside through both the visor and the image on the flat panel display. For reflection, the visor can be holographic, toric, aspheric, or spherical. U.S. Pat. No. 4,026,641, issued to Bosserman et al., Discloses a fiber optic bundle having an annular convex object surface and functioning as a light transmitting device to transmit visual information from an auxiliary display to the annular convex object surface. A headgear display system is disclosed, comprising: The visual image is directed to a toric optical coupler that functions to direct the visual image to the eyes of the user of the headgear display system. U.S. Pat. No. 5,436,765 issued to Togino discloses a head-mounted display device that enables observation at an angle of view of 40 degrees or more, and provides a flat and clear image to the periphery. ing. WO Patent No. 9510062 issued to Chen et al. Includes front and rear lenses that are independently decentered and tilted at an angle to increase the degrees of freedom available to reduce aberrations and significantly increase the display field of view. Are disclosed. In many cases, prior art headgear display systems generally include on-axis optics that include optical elements that function as optical couplers and are utilized therein for a projection system that projects a visual image onto the headgear visor. A system (ie, a system that is arranged symmetrically about the central optical axis and sometimes folded) is used. However, U.S. Pat. No. 4,968,117 discloses an aspheric coupler with a complex projection system that includes a prism and a series of optical elements, the optical axis of which is off-axis with respect to the image projected from the prism surface. Disclose usage. Statement B This is most important in headgear display systems because reduced power dissipation reduces the weight required by the heat sink structure, both of which are particularly important in battery operated portable systems. It is. A second advantage of the present invention is that it can provide additional eye relief compared to the prior art shown in FIG. Eye relief is so defined because it is defined as the distance between the user's eyes and the closest optical element of the headgear display system. This is particularly important in that the person wearing the glasses will have a practical eye relief. Compared with the prior art of FIG. 1 and the technique of FIG. 2, the reason that the eye relief of the present invention is larger than that of the prior art is that in the prior art optomechanical device, the coupler of the eye and the light passing therethrough. This is because a beam splitter is required between them. On the other hand, in the present invention, since the optical coupler is in the field of view of the observer without being blocked, the eye relief is increased. Utilizing an off-axis optomechanical device according to the present invention generally results in optical distortion as shown in detail in FIG. 5 as compared to the optical distortion of the prior art on-axis mechanical device shown in FIG. Images may occur. However, off-axis distortion caused by utilizing the optomechanical device according to the present invention can be corrected by at least two techniques. First, this distortion can be corrected electronically in the display drive electronics by calculating the position of the image or symbol according to a predicted distortion pattern similar to that shown in FIG. The image is pre-distorted so that the off-axis mechanical device has less distortion). Thus, when the pre-distorted image generated by the display source is projected by the optics as shown, the observer can see the desired undistorted image and / or symbols. A second method of distortion correction physically modifies the image plane of the display means so that after the visual image is projected through off-axis optics, the observer generally produces a normal, undistorted visual image. It is to see. As already pointed out, the details of the lenses 220 and 240 are substantially similar in their spatial relationship, in particular the light transmitting coupler 250, as are the radii of curvature of the aspheric toroids 250 used as light transmitting optical couplers 250. I.e., the distance between the observer's eye 150 and the coupler 250 when attached to a particular headgear or helmet. Since the radii of curvature of the optical lenses 220 and 240 are equally affected by the configuration, their details will not be described herein, but are well understood in the art. It should be noted, however, that the radius of curvature of the light combiner 250 that allows light to pass through is selected so that when viewed by an observer, the display appears to be located at infinity. Amended Claims 1. A headgear display system intended to be worn on the headgear, which projects visual information toward the eyes of the user of the headgear display system, wherein the eyes and the external scene of the headgear display system user are provided. A (aspheric) toric reflective surface (250) spatially located between and having a central optical axis (256) associated therewith; and generating a visual image to provide visual information to the display surface (112). A display source means (110), whose position associated with the display surface (112) is an image plane (114) and a central image reference axis (116) perpendicular to the image plane (114); A visual image passes through the first and second lenses (320, 340) one after the other and becomes empty so as to be incident on the toric reflective surface (250). Are centrally positioned and each have a central axis (322, 342) associated therewith, the central axis (322) of the first lens (320) being the central lens axis (322) of the second lens (340). 342), wherein the central axes (322, 342) of the first and second lenses (320, 340) are tilted and eccentric with respect to the central image reference axis (116). And a second lens (320, 340), wherein the toric reflective surface (250) has its central axis (256) associated therewith at the center of the first and second lenses (320, 340). The toric reflecting surface (250) is tilted and eccentric with respect to the axes (322, 342) and the at least partially reflecting surface (250) reflects the incident visual image thereat. I Wherein configured to direct the eye of the user of the headgear display system, it reflects a part, transmits part, headgear display system. 2. The headgear display system according to claim 1, wherein the first and second lenses are spherical lenses. 3. The headgear display system according to claim 1, wherein said display source means (110) is a flat panel display (110). 4. The flat panel display (110) provides an intentionally distorted visual image that passes through the first and second lenses (320, 340) and the toric reflective surface (250). 4. The headgear display system according to claim 3, wherein the distortion of any light image observed by the user's eyes caused by the reflection in (1) is reduced. 5. The headgear display system according to claim 1, wherein the toric reflective surface (250) allows a user's eyes to see the visual image and the external scene simultaneously. 6. The headgear display system according to claim 1, wherein the toric reflective surface (250) is located unobstructed in the field of view of the user's eyes. 7. The first and second lenses (320, 340) collimate the visual image towards the user's eyes in cooperation with the toric reflective surface (250). The headgear display system according to claim 1.

Claims

[Claims] An embodiment of the present invention that claims exclusive ownership or rights is defined as follows: . 1. Visual information to the eyes of the user of this headgear display system Headgear display intended to be mounted on the headgear The system Spatial between the eyes of the headgear display system user and external scenes A toric reflective surface having a central optical axis associated therewith; Generating a visual image to provide visual information to a display surface; The position associated with the ray surface is the image plane and the central image reference axis perpendicular to said image plane. A display source means, The visual image passes through the first and second lenses one after the other and the toric reflection Each is positioned spatially to impinge on a surface and its associated central axis The central axis of the first lens and the central lens axis of the second lens. The central axes of the first and second lenses are aligned and the central image reference axis A first and a second lens, tilted and eccentric with respect to The toroidal reflective surface has its central axis associated therewith with the first and second lasers. Tilted and eccentric with respect to the central axis of the lens, and The toric reflective surface, at least in part, converts the impinging visual image there. Reflected and directed to the eyes of the user of the headgear display system Composed, Headgear display system. 2. The toroidal reflective surface is substantially in the shape of an aspheric toroid. The headgear display system according to claim 1. 3. It is characterized in that a part of the toric reflective surface is reflective and a part is transmissive. The headgear display system according to claim 1, wherein 4. 2. The method according to claim 1, wherein the first and second lenses are spherical lenses. The headgear display system as described. 5. The display source means is a flat panel display. The headgear display system according to claim 1, wherein: 6. The flat panel display provides an intentionally distorted visual image The visual image passes through the first and second lenses and the toric reflective surface Distortion of any light image observed by the user's eyes caused by reflection from The headgear display according to claim 5, wherein the music is reduced. system. 7. The torus-shaped reflective surface allows the user's eyes to see the visual image and the 4. The head according to claim 3, wherein an external scene can be viewed simultaneously. Gear display system. 8. The toric reflective surface is positioned in the field of view of the user's eyes without obstruction The headgear display system according to claim 1, wherein: 9. The first and second lenses cooperate with the toric reflective surface to provide the visual image. 2. The head according to claim 1, wherein an image is collimated toward the eyes of the user. Dogear display system. 10. Visual information to the eyes of the user of this headgear display system Headgear display intended to be worn on the headgear, which projects information A system, The space between the eyes of the user of this headgear display system and the external scene A first surface partially interposed and partially reflective and partially transmissive; An optical coupler having a contralateral second surface and a central axis associated therewith; Generating a visual image to provide visual information to a display surface; The position associated with the ray surface is the image plane and the central image reference axis perpendicular to said image plane. A display source means, The visual image passes through the first and second lenses one after the other and before the optical coupler. Are positioned spatially so as to impinge on the first surface and have their central axes associated with them. And the central axis of the first lens is the central lens of the second lens And the central axes of the first and second lenses are aligned with the central image reference. A first and a second lens, tilted and eccentric with respect to the illumination axis, The optical coupler is such that the central axis associated with each is in front of the first and second lenses. The orientation is adjusted to be tilted and eccentric with respect to the central axis, and The first side of the vessel reflects, at least in part, the impinging visual image there And configured to be directed to a user of the headgear display system. Done, Headgear display system. 11. The optical coupler is substantially in the shape of an aspheric toroid. Item 11. A headgear display system according to item 10. 12. The optical coupler is substantially in the shape of an aspheric toroid. Item 11. A headgear display system according to item 10. 13. 2. The method according to claim 1, wherein the first and second lenses are spherical lenses. 0. The headgear display system according to 0. 14． The display source is a flat panel display The headgear display system according to claim 10, wherein: 15. The flat panel display provides an intentionally distorted visual image. The visual image passes through the first and second lenses, and the toric reflection table is provided. Of any light image observed by the user's eyes caused by reflection from the surface 15. The headgear display of claim 14, wherein distortion is reduced. Lee system. 16. The optocoupler allows the user's eyes to move the visual image and the external 11. The headgear according to claim 10, wherein the headgear can be viewed simultaneously. ・ Display system. 17 The optocoupler is positioned unobstructed in the field of view of the user's eye. The headgear display system according to claim 10, wherein: 18. The first and second lenses cooperate with the optical coupler to advance the visual image. The headgear according to claim 1, wherein the collimation is performed toward the eyes of the user. ・ Display system.